- •Методические указания
- •2. Теоретические сведения
- •2.1. Измерение твёрдости металлических материалов
- •2.2. Измерение твёрдости методом Бринелля
- •2.3. Измерение твёрдости методом Роквелла
- •3. Объекты исследования, оборудование
- •4. Задание на работу
- •5. Порядок выполнения работы
- •6. Содержание отчета
- •7. Контрольные вопросы
- •8. Список литературы
Минобрнауки России
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Тульский государственный университет»
Кафедра «Физика металлов и материаловедение»
Методические указания
К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 1
Измерение твёрдости металлических материалов
по дисциплине
Материаловедение.
Технология конструкционных материалов
Направления подготовки: 140200, 140600, 200100, 200500, 220200
Форма обучения – дневная
Тула 2011 г.
Методические указания к лабораторной работе составлены доц. Г.В. Сержантовой и обсуждены на заседании кафедры ФММ ЕН факультета.
протокол № 6 от 2 марта 2011 г.
Зав. кафедрой ФММ Г.В. Маркова
Лабораторная работа №1
Измерение твёрдости металлических материалов
1. Цель работы:
1. Познакомиться с методами измерения твёрдости металлических материалов.
2. Приобрести навыки измерения твёрдости методами Роквелла (ГОСТ 9013-59) и Бринелля (ГОСТ 9012-59).
3. Освоить методику перевода единиц твёрдости в единицы характеристик механических свойств, получаемых при испытаниях на растяжение.
2. Теоретические сведения
2.1. Измерение твёрдости металлических материалов
Распространенность испытаний на твёрдость объясняется относительной простотой и низкой стоимостью их проведения, возможностью испытаний материалов различной пластичности и прочности, небольшим объемом образцов, возможностью проведения измерений непосредственно на деталях. При испытаниях на твёрдость могут быть получены оценки иных механических свойств, таких как предел текучести, предел прочности и другие.
Наибольшее практическое значение имеют статические испытания твёрдости вдавливанием в испытуемое тело другого, более твёрдого тела - индентора [от англ. indentor, от лат. in - в, внутрь и dens ( dentis) - зуб] (методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, метод микротвёрдости). Значительно реже используются динамические испытания твёрдости по отскоку шарика (методы Шора, Польди) и еще реже используется измерение твёрдости царапаньем (склерометрия). В машиностроении и приборостроении основным методом измерения твёрдости является измерение твёрдости вдавливанием - дюрометрия.
2.2. Измерение твёрдости методом Бринелля
Сущность метода Бринелля заключается во вдавливании шарика (стального или из твёрдого сплава) в образец (изделие) под действием усилия, приложенного перпендикулярно поверхности образца в течение определённого времени, и измерении диаметра отпечатка после снятия усилия.
В качестве индентора применяются:
стальной шарик диаметром 10,0; 5,0; 2,5; 2,0 или 1,0 мм, имеющий твёрдость не менее 850 HV10 (850 единиц твёрдости по Виккерсу, измеренной при нагрузке 100 Н (10 кгс)).
шарик из твёрдого сплава диаметром 10,0; 5,0; 2,5; 2,0 или 1,0 мм, имеющий твёрдость не менее 1500 HV10.
Твёрдость по Бринеллю при применении стального шарика обозначают символом НВ, а при применении шарика из твёрдого сплава - символом HBW. Числено твёрдость НВ (HBW) равна отношению приложенного усилия F к площади сферического отпечатка А и рассчитывается по формуле:
где F - усилие, Н; D - диаметр шарика, мм; d - диаметр отпечатка, мм.
Запись результата измерения состоит из числового значения твёрдости из трёх значащих цифр, символа твёрдости по Бринеллю HB(HBW), диаметра шарика, приложенного усилия и продолжительности выдержки под нагрузкой, если последняя отличается от (10...15) с. Например, запись 575 HBW 2,5/187/30 означает твёрдость по Бринеллю 575 единиц, измеренную при применении шарика из твёрдого сплава диаметром 2,5 мм, при усилии 1870 Н (187 кгс) и продолжительности выдержки под нагрузкой 30 с.
При измерении твёрдости индентором диаметром 10 мм при усилии 30000 Н и продолжительности выдержки от 10 до 15 с твёрдость по Бринеллю обозначают только числовым значением твёрдости и символом НВ или HBW, например 185 НВ, 620 HBW. При твёрдости металлов более 450 единиц по Бринеллю для измерения используют шарики только из твёрдого сплава, во избежание деформации индентора, а при твёрдости менее 450 единиц применяют стальные шарики или шарики из твёрдого сплава. Максимально допустимая твёрдость металлов при применении метода Бринелля равна 650 единиц.
Отбор и подготовка образцов к измерению твёрдости состоит из следующих этапов:
1. Определяется необходимая толщина образца, которая должна превышать глубину отпечатка не менее чем в 8 раз. В любом случае после испытаний на противоположной стороне образца не должно быть заметно следов деформации от индентора.
2. Поверхность образца (изделия) должна быть гладкой, ровной и свободной от окалины или оксидной плёнки. Обработку поверхности образца (изделия) допускается проводить шлифовкой на наждачной бумаге или мелким напильником. При использовании шарика диаметром 1 мм поверхность образца должна быть отполирована.
3. В зависимости от типа испытуемого материала и его ожидаемой твёрдости по таблице 1 выбирают значения коэффициента К, позволяющего выбирать оптимальные условия измерения (диаметр шарика, усилие, длительность выдержки).
Таблица 1 – Значения коэффициента К.
Материал |
Ожидаемая твёрдость по Бринеллю |
Коэффициент К |
Сталь, чугун, высокопрочные сплавы |
> 40 ≤ 140 |
30 10 |
Титан и его сплавы |
≥ 50 |
15 |
Медь и сплавы на основе меди |
< 35 ≥ 35 |
5 10 |
Подшипниковые сплавы |
от 8 до 50 |
2,5 |
Свинец, олово и другие мягкие материалы |
≤ 20 |
1 |
4. Оптимальное усилие F в зависимости от значения коэффициента К и диаметра шарика D выбирают в соответствии с таблицей 2. Продолжительность выдержки индентора под действием заданного усилия F выбирают в соответствии с таблицей 3.
Таблица 2 – Усилия F(Н) в зависимости от диаметра шарика и коэффициента К
Диаметр шарика D, мм |
К = 30 |
К = 15 |
К = 10 |
К = 5 |
К = 2,5 |
К = 1 |
1,0 |
294,2 |
- |
98,07 |
49,03 |
24,52 |
9,807 |
2,0 |
1177,0 |
- |
392,30 |
196,10 |
98,07 |
39,230 |
2,5 |
1839,0 |
- |
612,90 |
306,00 |
153,00 |
60,800 |
5,0 |
7355,0 |
- |
2452,00 |
1226,00 |
612,90 |
245,200 |
10,0 |
29420,0 |
14710 |
9807,00 |
4903,00 |
2452,00 |
980,700 |
Таблица 3 – Выбор времени выдержки
Твёрдость по Бринеллю HB (HBW) |
Продолжительность выдержки, с |
≤ 10 |
180 |
10…35 |
120 |
35…100 |
30 |
≥ 100 |
10…15 |
Диаметр отпечатка d измеряют с помощью инструментального микроскопа или других сред измерения.